O trwałości narzędzi decyduje głównie warstwa wierzchnia, która w wyniku zastosowania rożnych procesów technologicznych może mieć grubość rzędu od 1 μm do kilku milimetrów. Stan warstwy wierzchniej decyduje o własnościach tribologicznych. Natomiast w przypadku obciążeń mechanicznych nadzwyczaj ważną rolę odgrywa podłoże, jego przygotowanie oraz wzajemne korelacje pomiędzy warstwą wierzchnią a podłożem. Wraz z postępującym procesem zużycia narzędzi [1] pogarsza się jakość wyrobu. Z drugiej strony udział kosztów narzędzi w całkowitym koszcie wytworzenia wyrobu często osiąga wielkość 30%. Z tego względu w narzędziach do kucia stosuje się wymienne wkładki, których powierzchnia jest zwykle pokrywana metoda CVD/PVD [2]. Dopuszczalne wielkości zmian wymiarowych narzędzi zależą od klasy dokładności kształtowania wyrobów. Powtarzalne cykle produkcyjne wpływają na zmiany wymiarowe narzędzi spowodowane ich zużyciem m.in. takim czynnikiem jak lokalny wzrost temperatury [3].
Środki smarujące zapobiegają zatarciu i powodują zachowanie integralności narzędzi i materiału obrabianego [4]. Jednak najczęściej stosowane jako środek smarny: stearynian fosforu i olej o różnej lepkości, nie eliminują naprężeń ścinających na styku współpracujących elementów. W badaniach realizowanych w Instytucie Obróbki Plastycznej wykazano, że nanocząstki MoS2 i WS2 posiadają unikalne właściwości tribologiczne [5]. Metoda dostarczania nanocząstek o bardzo dobrych właściwościach smarujących w sposób ciągły do obszaru współpracujących elementów, została po raz pierwszy zastosowana w narzędziach kuźniczych do kształtowania elementów na zimno podczas realizacji projektu EUROSTARS o akronimie NERGFORT. Została opracowana idea implementowania grafenopodobnych nanocząstek smarów stałych (MoS2 i WS2) na powierzchnię narzędzi (specjalne mikrozagłębienia w pewnych obszarach na powierzchni narzędzi). Powoduje to powolne uwalnianie na powierzchnię tych nanocząstek i zgodnie z założeniami, zmniejsza współczynnik tarcia i zużycie materiału [6]. Powstaje cienki film na styku elementów współpracujących.
W celu wykonania mikrozagłębień na nanocząstki smaru stałego, smarujących powierzchnie narzędzi zastosowano metodę grawerowania laserowego, pozwalającą na wykonanie dokładnych mikrozagłębień i ich odpowiedniej geometrii (głębokość średnica, szerokość i kształt).
W pierwszych próbach badań zastosowano wysokoenergetyczny pulsacyjny laser włóknowy domieszkowany iterbem do wykonania mikrokanalików. Laser posiadał następujące parametry: długość fali 1,06 μm; średnia moc 10-50 W; częstotliwość impulsu 20-200 kHz; energia impulsu 2 mJ; optymalny czas trwania impulsu 120 ns; punkt ogniskowy 20 μm. Parametry te pozwoliły na formowanie dokładnej sieci mikrokanalików o następujących typowych wymiarach zagłębień: średnica 20-50 μm i głębokości 5-10 μm (Rys. 1).
Główną przeszkodą w uzyskaniu właściwych mikrokanalików jest twardy stopiony metal zarówno na dnie jak i blisko granicy mikrokanalików. Wymaga to dodatkowych operacji technologicznych np. polerowanie powierzchni narzędzi. Dlatego zmieniono układ laserowy i zmniejszeniu czas trwania impulsu z 120 ns do 15 ns. Nowy układ laserowy posiadał maksymalną energię impulsu 15 mJ. Eksperymentalnie zoptymalizowano parametry wytwarzania mikronakanalików metodą laserową: zmienne parametry obejmowały prędkość skanowania i energię impulsu.
Głównym celem optymalizacji było osiągnięcie warunków ablacji bez formowania fazy ciekłej podczas interakcji lasera ze stalą. Ablacja laserowa jest zjawiskiem polegającym na usuwaniu dużych ilości materiału z powierzchni pod działaniem promieniowania laserowego i można ją wykonać przy zastosowaniu różnych mechanizmów takich jak odparowywanie, niszczenie termoelastyczne i rozchodzeniu się fali uderzeniowej itd. Charakter procesów ablacji częściowo zależy od rodzaju materiału i środowiska, lecz największy wpływ na mechanizmy ablacji mają parametry obróbki laserowej takie jak natężenie mocy, czas trwania i częstotliwość impulsu, długość fali, ilość impulsów, prędkość poprzeczna wiązki itd. W pewnych zakresach parametrów lasera, np. dla krótkich impulsów i wysokich natężeń, podstawowe mechanizmy fizyczne ablacji laserowej nie zostały zbadane i wyjaśnione do dziś [7]. Ogólny schemat interakcji wiązki laserowej z materiałem przedstawiono na rysunku 2. Głównym celem optymalizacji procesu jest zmniejszenie ilości roztopionego materiału (zapobieganie wyrzutowi kropelek stopionego materiału) oraz minimalizacja silnego wpływu plazmy laserowej.
Wyniki symulacji numerycznej pozwalają na zdefiniowanie krytycznych parametrów wymaganych do wykonania mikrokanalików. Rysunek 3 wskazuje dynamikę nagrzewania i chłodzenia powierzchni stali przy zastosowaniu krótkich impulsów laserowych o różnej energii. Nawet przy stosunkowo małych wartościach energii lasera, powierzchnia jest nagrzewana do temperatury wyższej od temperatury topnienia. Impulsy laserowe o energii >8mJ pozwalają na uzyskanie temperatur odparowywania.
Podczas modelowania numerycznego oraz dalszych badań doświadczalnych zdefiniowano, że do osiągnięcia żądanej geometrii mikrokanalika, konieczne jest stosowanie stosunkowo wąskiego zakresu energii impulsu od 8 do 10 mJ. Wzrost energii doprowadzi do stworzenia gęstej smugi plazmy, która następnie zmniejszy frakcję zabsorbowanej energii, co spowoduje zwiększenie ilości stopionego materiału w mikrokanaliku. Faza ciekła jest wypierana na ścianki mikronakanalika i ulega skropleniu, a mikrokanalik uzyskuje kształt stożkowaty (Rys. 4). Obszar w pobliżu mikrokanalika jest pokryty kroplami zestalonego metalu. Wykazano, że działanie dwóch impulsów laserowych w tym samym miejscu na powierzchni obrabianej stali jest najbardziej efektywnym sposobem obróbki. Fizyka procesu w tym przypadku, jest opisana w następujący sposób. Energia pierwszego impulsu laserowego jest praktycznie w całości zużywana na odparowanie materiału powierzchni próbki, w wyniku czego metal w fazie ciekłej w kraterze pozostaje w niewielkiej ilości pozostaje. Nie następuje widoczne nagrzewanie powierzchni docelowych, które znajdują się blisko ścianek krateru. Drugi impuls laserowy działa głównie na dno mikrokanalika nie powodując odparowania substancji ze ścianek krateru.
Wraz ze wzrostem energii pierwszego impulsu laserowego, pod wpływem silnego promieniowania wzrasta również frakcja materiału stopionego. Należy zaznaczyć, że w tym przypadku, plazma ma dużą gęstość, a wysokie ciśnienie oparów wewnątrz krateru wyparło przegrzany ciekły metal na ścianki krateru. Drugi impuls laserowy oddziaływujący na stopiony materiał, usuwa materiał zarówno z dna mikrokanalika jak i z jego ścianek. Dalszy wzrost energii impulsu laserowego, w przypadku podwójnych impulsów, nie prowadzi do znacznej zmiany głębokości krateru dlatego, że stopniowe osłabienie promieniowania drugiego impulsu poprzez gęstą plazmę silnie wzrasta. Rysunek 5 ilustruje zależność głębokości mikrokanalika od czasu między dwoma impulsami dla określonej energii impulsu wiązki laseru.
Kolejnym krokiem w badaniach było zdefiniowanie optymalnej konfiguracji sieci mikrokanalików. Przebadano różne typy sieci mikrokanalików (struktur promieniowych i prostokątnych), zapewniających wolne uwalnianie nanocząsteczek stałego środka smarującego na powierzchnię tworzenia się cienkiego filmu na styku współpracujących powierzchni.
Wybrane optymalne parametry pozwalają na stworzenie dokładnej sieci mikrokanalików o następujących wymiarach: szerokości 20 µm (Rys. 6a) i głębokości 5-25 µm (Rys. 6c). Mieszanina nanocząsteczki MoS2 została wbudowana do mikrozagłębień (Rys. 6b) w celu wykonania testów na zużycie.
Skutek smarowania MoS2 został oceniony za pomocą testów tribologicznych przy zastosowaniu testera T-10 przy normalnym obciążeniu 6-10N i prędkości obrotowej 200 obr/min. Współczynnik tarcia został określony na podstawie pomiaru siły tarcia a parametr zużycia przez pomiar ciężaru kulki. Narzędzia z wykonanymi mikrokanalikami i nanokompozytowymi powłokami były testowane w firmie J-VST w Czechach, TKZ Polna w Czechach oraz w Instytucie Obróbki Plastycznej.). Analiza zużycia narzędzi na przykładzie stempli do wyciskania przeciwbieżnego pozwoliła określić charakter zużycia i wytypować najlepsze powłoki. W porównaniu z stemplami wykonanymi ze stali proszkowej bez powłoki uzyskano dla niektórych stempli z powłoką nankompoyztową 10-krotny wzrost trwałości. Najbardziej korzystną powłoką okazała się powłoka TiAlN. Przykłady narzędzi zaprezentowano na poniższych zdjęciach (Rys. 7 i 8). Narzędzia do prasowania wyrobu proszkowego z kanalikami charakteryzowały się kilku krotnie wyższą trwałością w porównaniu bez kanalików.
Niniejsze badania przeprowadzono w ramach projektu EUROSTARS E! 4249 NEGFORT.
Michaił Ignatiev, Volf Leszczynski, Hanna Wisniewska-Weinert, Jacek Borowski, Tomasz Wiśniewski
Instytut Obróbki Plastycznej Poznań
Literatura:
[1] Peddinghaus E.: The technical development of European drop forging industry. 17th International Scientific and Technical Conference Design and technology for drawpieces and die stamping, Wasowo, Poland, September 22th-24th 2008 53-66.
[2] Cselle T.: Application of Coatings for Tooling – Quo Vadis 2005? VIP Vacuum’s Best v.17 S1 (2005) 33-39.
[3] PLATIT, Nanostructured Coatings for High Performance Tools. Werkzeug Technik 1(2003) 2-8.
[4] Wiśniewska-Weinert H., Leshchynsky V., Ignatiev M., Kozubowska J.A., Smalc-Koziorowska J.: Friction and wear with WS2 nanoparticles under mixed and boundary lubrication. Obróbka Plastyczna Metali t. XIX nr 1 (2008) 29-40.
[5] Vasilyeva E., Vahhi I., Kovalev E., Ignatiev M., Kim D., Kim B.K.: Production of WS2 structures by CVC method. 17th International Conference Materials Engineering 2008, Kaunas, Lithuania, November 6th-7th, 2008 54-55.
[6] Steel for Cold Work Tooling, Uddeholm Review, 2009 1-18
[7] Litao Qi, Femtosecond laser ablation of sapphire on different crystallographic facet planes by single and multiple laser pulses irradiation, Optics and Lasers in Engineering, Wolumen. 48, Wydanie 10, Październik 2010, Strony 1000-1007
artykuł pochodzi z wydania 5 (68) maj 2013
